中壓機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的SPWM脈沖調(diào)制方案設(shè)計(jì)

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(許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000)

中壓機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的SPWM脈沖調(diào)制方案設(shè)計(jì)

王鵬，時(shí)春雨

(許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000)

中壓型機(jī)電驅(qū)動(dòng)裝置的脈沖調(diào)制技術(shù)較為復(fù)雜，需考慮死區(qū)、窄脈沖濾波等因素。提出一種新型正弦脈沖調(diào)制系統(tǒng)方案。采用FPGA設(shè)計(jì)SPWM的脈沖產(chǎn)生程序，提出新型的狀態(tài)循環(huán)算法產(chǎn)生三角載波、脈沖信號，并對調(diào)制波的邊沿比較進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí)，設(shè)計(jì)了4.5 kV IGBT的驅(qū)動(dòng)板卡，給出了驅(qū)動(dòng)芯片、驅(qū)動(dòng)電路、濾波電路等方案。實(shí)驗(yàn)測試表明，所述方案的死區(qū)、脈沖寬度均滿足中壓IGBT的性能指標(biāo)。

正弦脈沖調(diào)制；死區(qū)；窄脈沖；驅(qū)動(dòng)電路

0 引 言

目前，機(jī)電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域?qū)﹄娏﹄娮友b置的脈沖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求越來越高。其中，正弦脈沖調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation, SPWM)極為重要。中壓型IGBT驅(qū)動(dòng)裝置具有電壓等級高、功率大的優(yōu)點(diǎn)，但其開通、關(guān)斷時(shí)間較長，調(diào)制技術(shù)較為復(fù)雜。對于半橋型低壓IGBT結(jié)構(gòu)，死區(qū)通過驅(qū)動(dòng)芯片即可完成，不必使用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)去處理。但對于T型三電平、多電平等非對稱的中壓IGBT拓?fù)鋄1]，死區(qū)無法通過驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)，只能通過FPGA算法來設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對FPGA設(shè)計(jì)死區(qū)、窄脈沖的研究較少。文獻(xiàn)[2-3]研究了FPGA的SPWM調(diào)制方案，給出了SPWM的算法原理，通過設(shè)計(jì)FPGA的通信、三角載波比較模塊得到可調(diào)脈沖源。但其局限于低壓IGBT的設(shè)計(jì)，未研究死區(qū)、窄脈沖的處理。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種死區(qū)處理方法，但未考慮三角載波、調(diào)制波在階梯波邊沿比較發(fā)生窄脈沖的情況，此窄脈沖加死區(qū)后會引起脈沖失真。且其延時(shí)參數(shù)選型較小，不適用于中壓IGBT的調(diào)制。

下面提出一種新型中壓IGBT SPWM調(diào)制系統(tǒng)，包括FPGA的軟件設(shè)計(jì)、IGBT的硬件驅(qū)動(dòng)板卡設(shè)計(jì)。給出了FPGA軟件流程圖、驅(qū)動(dòng)板卡電路圖等。對50 Hz正弦調(diào)制波的測試表明，脈沖寬度、死區(qū)時(shí)間、諧波特性均較為理想。

1 中壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的脈沖調(diào)制原理

1.1 SPWM調(diào)制原理

圖1 全橋型拓?fù)涞膯螛O性SPWM調(diào)制

對于三電平、多電平拓?fù)涞恼{(diào)制方案，均可等效成以SPWM調(diào)制為基礎(chǔ)的擴(kuò)展[5]，其脈沖仍存在互補(bǔ)型PWM脈沖。因此，以全橋IGBT結(jié)構(gòu)為研究基礎(chǔ)，見圖1。其中：Vab為調(diào)制輸出的交流側(cè)電壓;Vdc為直流電壓;vc為控制系統(tǒng)的參考調(diào)制波;vtri為三角載波。

單極性SPWM的原理如下：1)在vc正半周內(nèi)，當(dāng)調(diào)制波vc大于三角波vtri時(shí)，輸出Vdc電平；反之則輸出零電平。2)vc負(fù)半周采用同樣的調(diào)制方法，并進(jìn)行倒相操作。3)相電壓Vab為在Vdc和-Vdc間跳變的脈沖波，載波頻率ftri與調(diào)制波頻率fc之比為載波比Nf。

目前，國內(nèi)外各廠家的中壓IGBT電壓等級為3.3 kV、4.5 kV、6.5 kV幾種類型，其結(jié)構(gòu)包括壓接式、焊接式兩種類型。由表1可見，中壓IGBT的開通、關(guān)斷時(shí)間較長，是低壓IGBT的2～5倍甚至更長。通過計(jì)算中壓IGBT的損耗，實(shí)際產(chǎn)品的開關(guān)頻率通常較低，一般選擇1 kHz左右[6]，這也要求避免產(chǎn)生較窄的脈沖?？傊?，中壓IGBT調(diào)制技術(shù)要求具有較大的死區(qū)和脈沖寬度。

表1 不同電壓等級的IGBT參數(shù)表

表1中，IGBT1為東芝的ST1500GXH24，額定電壓4.50 kV，采用壓接式封裝。IGBT2為英飛凌的FZ1500R33HE3，額定電壓3.3 kV，采用焊接式封裝。IGBT3為英飛凌的FF1000R17IE4，額定電壓1.7 kV，采用焊接式封裝。

1.2中壓SPWM調(diào)制系統(tǒng)總體方案

以表1中的IGBT1為研究對象，給出了SPWM調(diào)制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，見圖2。

圖2 SPWM調(diào)制系統(tǒng)的總體方案

圖2中，主控板采用DSP+FPGA結(jié)構(gòu)；每個(gè)IGBT采用單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)板，每個(gè)驅(qū)動(dòng)板具有一收一發(fā)光纖。DSP負(fù)責(zé)進(jìn)行調(diào)制波vc的產(chǎn)生，完成控制、邏輯方案的操作；FPGA負(fù)責(zé)接收調(diào)制波、產(chǎn)生三角波，最終計(jì)算出PWM脈沖；驅(qū)動(dòng)板接收FPGA光纖信號，并將光信號轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)電壓信號。上位機(jī)界面可對調(diào)制波進(jìn)行設(shè)置，并設(shè)置啟停命令。

2 FPGA的軟件方案

圖3為FPGA軟件方案示意圖，操作如下：

1)進(jìn)行時(shí)鐘分頻處理，產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的高精度的三角載波信號，接收DSP的正弦調(diào)制波信號vc。

2)利用狀態(tài)循環(huán)算法進(jìn)行調(diào)制波、三角載波的比較，產(chǎn)生初步的PWM調(diào)制信號。如圖1所示，S1/S2互補(bǔ)，S3/S4互補(bǔ)。

3)施加死區(qū)、窄脈沖濾波處理，進(jìn)行故障檢測。

驅(qū)動(dòng)板卡的功能如下：

1)接收4路光纖信號，將其轉(zhuǎn)化為電壓信號供給驅(qū)動(dòng)芯片；輸出門極±15 V的高低電平驅(qū)動(dòng)。

2)濾波電路對IGBT的Vce進(jìn)行檢測，并與驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行信號交互。同時(shí)，處理退飽和、過流等故障。

圖3 FPGA軟件方案示意圖

2.1三角載波的編程實(shí)現(xiàn)

采用“狀態(tài)循環(huán)算法”實(shí)現(xiàn)三角載波的發(fā)生，其VHDL程序?qū)崿F(xiàn)的狀態(tài)機(jī)如圖4、圖5所示。

圖4 三角載波示意圖

圖5 三角載波生成的狀態(tài)循環(huán)算法

圖4中，三角波的頻率為250 Hz，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)鐘為100 MHz，每8個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器TRICOUNTER增加1，三角載波的峰值理論計(jì)數(shù)值為25 000(61A8)。當(dāng)出現(xiàn)正弦波的負(fù)半軸時(shí)，調(diào)制波及三角載波整體往上偏移25 000。

圖5中，計(jì)數(shù)器存在幾種狀態(tài)字的變換。在計(jì)數(shù)器TRICOUNTER加到峰值25 000時(shí)，則每8個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘三角載波計(jì)數(shù)器開始減1，等到三角載波計(jì)數(shù)器的值減到0時(shí)，三角載波計(jì)數(shù)器的值再增加。當(dāng)存在持續(xù)的使能信號時(shí)，三角載波計(jì)數(shù)器會重復(fù)0～6的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)的載波信號輸出。

2.2調(diào)制波與三角載波比較的編程實(shí)現(xiàn)

圖6 調(diào)制波與三角載波比較的狀態(tài)循環(huán)算法

圖6中，采用“狀態(tài)循環(huán)算法”實(shí)現(xiàn)調(diào)制波、三角載波比較。正弦調(diào)制波是數(shù)字化的階梯波。如果在階梯波切換的邊沿發(fā)生了三角載波的相交，則會出現(xiàn)較窄的脈沖。窄脈沖經(jīng)死區(qū)處理后容易造成脈沖失真。

這里提出了狀態(tài)循環(huán)算法，利用正弦波在一個(gè)三角載波周期只相交兩次的原理，進(jìn)行改進(jìn)：1)三角載波、調(diào)制波第1次相等時(shí)，保持該調(diào)制波固定，防止出現(xiàn)階梯變化；2)此后，當(dāng)檢測到三角載波大于調(diào)制波的最大限幅時(shí)，再更新調(diào)制波，允許第2次相交；3)第2次相交后仍保持調(diào)制波固定，防止其出現(xiàn)階梯變化。

2.3死區(qū)設(shè)置的編程實(shí)現(xiàn)

由于中壓IGBT器件的關(guān)斷延時(shí)通常比低壓器件較長，在設(shè)置死區(qū)時(shí)，需考慮關(guān)斷延時(shí)。圖7中，結(jié)合東芝ST1500GXH24的技術(shù)參數(shù)，并參考外圍驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)驗(yàn)測試，最終確定死區(qū)時(shí)間為20 μs。在圖1中，死區(qū)應(yīng)設(shè)置在S1/S2、S3/S4之間。

圖7 死區(qū)設(shè)置原理圖

圖8 死區(qū)設(shè)置的程序流程圖

圖8中，變量如下：

1)SIGIN，std_logic輸入；

2)CLK_1M，std_logic工作時(shí)鐘50 MHz；

3)SIGOUT，std_logic輸出信號。

圖8還要考慮最小脈寬的選擇，一般最小脈沖寬度不小于死區(qū)，并通過IGBT的熱損耗仿真等確定最小脈沖為20 μs。為了提高精度，死區(qū)的檢測周期為SIGCOUNTER2=1 500，即30 μs處理一次死區(qū)，這樣經(jīng)過死區(qū)處理后的脈沖最小為10 μs。經(jīng)過死區(qū)處理后，仍有可能產(chǎn)生小于20 μs的脈沖。因此，還要做20 μs的最小脈沖濾波處理。

2.4故障處理軟件設(shè)計(jì)

FPGA需要對IGBT的故障進(jìn)行檢測，以保證及時(shí)的閉鎖脈沖處理[7]。故障處理主要分為兩類：一類是驅(qū)動(dòng)板卡傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)故障；另一類則是驅(qū)動(dòng)板卡的電源故障，如圖9所示。當(dāng)判定故障后進(jìn)行封鎖脈沖操作；當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位有效時(shí)，所有故障均要清零。

3 IGBT的驅(qū)動(dòng)板卡硬件設(shè)計(jì)

對于4.5 kV IGBT，采用了單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)板卡控制單管IGBT。每個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)板卡如圖10所示。該圖包括光纖接口電路、驅(qū)動(dòng)芯片、門極驅(qū)動(dòng)電路、濾波電路等。

圖9 故障處理程序流程圖

(a)光纖接口電路

(b)驅(qū)動(dòng)芯片與驅(qū)動(dòng)電路圖10 驅(qū)動(dòng)板卡電路圖

圖10中，光纖接口電路接收FPGA的輸入PWM信號。驅(qū)動(dòng)芯片采用concept公司的驅(qū)動(dòng)芯片1SC0450。其中，SO為FPGA的光纖信號轉(zhuǎn)化的輸入電平；Vce為IGBT的輸出電壓檢測，其外接有濾波電路；GH與GL為門極驅(qū)動(dòng)電壓輸出，即±15 V；該芯片會對退飽和、過流等故障進(jìn)行檢測。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1實(shí)驗(yàn)電路

按照圖11搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，參數(shù)如下：直流電壓源Vdc=1 kV；設(shè)計(jì)DSP的中斷頻率為2 kHz，用于產(chǎn)生50 Hz正弦調(diào)制波，幅值0.5；三角載波vtri頻率為250 Hz;死區(qū)時(shí)間設(shè)為20 μs；最小脈寬設(shè)為20 μs。

圖11 SPWM調(diào)制實(shí)驗(yàn)電路

當(dāng)直流電壓穩(wěn)定后，對S1/S2管的死區(qū)、互補(bǔ)脈沖進(jìn)行測試，并測試交流側(cè)輸出的SPWM電壓。最后，利用泰克示波器匯總實(shí)驗(yàn)波形。

4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖12 FPGA中的調(diào)制波與三角載波信號

采用DA數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，將FPGA的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，輸出到示波器。其中，1 V代表數(shù)字量的幅值為1。

圖12中，單極性調(diào)制的正弦調(diào)制波與正半周的三角載波進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生PWM脈沖信號。由于三角載波的頻率高于正弦波，正半周共產(chǎn)生5次相交。

圖13中，由于S1、S2兩管互補(bǔ)，因此Vge1、Vge2應(yīng)在±15 V之間互補(bǔ)切換，并設(shè)置死區(qū)20 μs。由于外圍驅(qū)動(dòng)電路、雜散電感的影響，IGBT的開通時(shí)間比技術(shù)手冊中的時(shí)間長，約為4 μs；關(guān)斷過程也較長，約為16 μs?？梢?，脈沖的死區(qū)時(shí)間約為a、b間隔20 μs，能夠滿足開通、關(guān)斷技術(shù)要求。

圖13 加入死區(qū)的S1、S2門極驅(qū)動(dòng)電壓波形

圖14 交流側(cè)輸出的SPWM脈沖電壓

圖14為全橋電路輸出的SPWM脈沖電壓。可見，連續(xù)開關(guān)動(dòng)作時(shí)，單極性調(diào)制的脈沖Vab與正弦調(diào)制波vc的變化趨勢基本一致。由于三角載波的頻率較低，在每個(gè)正弦波的半周共對應(yīng)5個(gè)脈沖高電平。該輸出脈沖的正負(fù)電平切換平滑，且無20 μs之下的窄脈沖，滿足中壓IGBT的性能要求。

5 結(jié) 語

針對中壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的IGBT技術(shù)特性，設(shè)計(jì)了一種新型SPWM調(diào)制系統(tǒng)方案。對各廠家的中壓IGBT

參數(shù)特性進(jìn)行了對比，指出其對死區(qū)、開關(guān)頻率要求較為嚴(yán)格。采用FPGA設(shè)計(jì)PWM信號算法，具有實(shí)時(shí)性高、軟件設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)。自主設(shè)計(jì)了IGBT的驅(qū)動(dòng)板卡，驅(qū)動(dòng)芯片采用了concept產(chǎn)品，其綜合性能較為理想。所設(shè)計(jì)的SPWM調(diào)制系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于機(jī)電驅(qū)動(dòng)、發(fā)電、自動(dòng)化等領(lǐng)域。

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Sinusoidal pulse width modulation (SPWM) technology of medium-voltage mechanical and electrical drive system is complex, and it needs considering the factors such as dead zone, narrow pulse filter. A new modulation system scheme is proposed. The FPGA is used to design the pulse generation program. The state machine cycle algorithm is also proposed to generate triangular carrier and impulse signal, and the edge of the modulation wave is optimized. At the same time, the driver board of 4.5 kV IGBT is designed, which contains the drive chip, drive circuit and filter circuit. Experimental tests show that the dead zone and pulse width of the proposed modulation system meet the performance index of medium-voltage IGBT.

sinusoidal pulse width modulation; dead zone; narrow pulse; drive circuit

TH39

：A

：1003-6954(2017)04-0082-05

2017-02-20)

王 鵬(1985)，助理工程師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組工藝設(shè)計(jì)與開發(fā)； 時(shí)春雨(1983)，助理工程師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組工藝設(shè)計(jì)與開發(fā)。